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天文学家的备忘手册|天文学家的备忘手册

3.2 宇宙线
【天文学家的备忘手册|天文学家的备忘手册】作者| NASA
译者| Paradox
可供天文学家直接研究来自太阳系外的物质方法屈指可数 ， 其中一种方式就是研究高能的宇宙射线 。 宇宙射线是以接近光速的速度在太空中移动的高能粒子 。 大多数宇宙射线是原子核 ， 其中不仅有丰度最高的质子(氢原子核) ， 也有比铅还重的元素的原子核 。 此外 ， 在宇宙射线中天文学家还发现了其他亚原子粒子 ， 例如：中子、电子和中微子 。
由于宇宙射线绝大多数都是带电粒子 ， 因此它们穿行过漫长的宇宙空间时可能会被星际磁场偏转 。 在他们到达地球的过程中 ， 银河系、太阳系、甚至地球的磁场都会扰乱了宇宙线的飞行路线 ， 以至于天文学家不能确切知道它们来自何方(只有极高能量的宇宙射线受到磁场的影响较小 ， 它们的Lamor半径可能比银河系直径还要大 ， 所以偏转程度可以忽略) 。 这意味着我们往往必须通过间接手段确定宇宙射线从何而来 ， 例如测量电中性粒子 ， 比如高能的γ光子和中微子 。 它们是由高能宇宙线与源附近的分子云等星际介质发生核碰撞的物理过程产生的 ， 它们不会受到星际间磁场的影响 ， 从而可以携带宇宙线产生源区的信息 。
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图1.因为宇宙射线带有电荷 ， 所以它们的方向在穿过磁场时会发生变化.蓝色路径表示带电粒子会受到星际中的磁场影响 ， 我们无法推算它的源在何处;紫色路径是中性粒子的路径 ， 不受到磁场的影响 ， 从源头传播到地球.(图片来源: NASA's Goddard Space Flight Center)
我们研究宇宙线的组成是了解宇宙射线的一种方式 。 宇宙线是由什么组成的？电子占什么比例？那么质子又占比多少呢？那氦核呢？元素周期表中的其他原子核又是怎么样呢？测量每个不同元素的数量相对容易 ， 因为每个原子核的携带的电荷不同——这会产生非常不同的特征 。 而测量同位素组成则非常困难(同位素是质子数相同但中子数不同的不同核素) ， 但同位素测量揭示了宇宙射线源中核合成的条件 ， 这有助于帮助天文学家理解宇宙线的传播方式 ， 例如了解宇宙线粒子在银河系内逗留的时间 。 相比于核成分测量而言 ， 同位素测量的指纹特征更好 。 实际上如果要分辨同位素的话 ， 需要对所有进入探测器的宇宙线进行的粒子鉴别 ， 这会极大地增加探测器的设计难度 。 无论是是在恒星核燃烧中产生的比铁轻的元素 ， 还是在大质量恒星生命尽头的超新星爆发等剧烈条件下产生的比铁还重的元素——元素周期表中的元素都可以在宇宙射线中找到 。
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图2.先进成分探测器(Advanced Composition Explorer, ACE)配备有的宇宙射线同位素光谱仪(Cosmic Ray Isotope Spectrometer, CRIS, 位于途中航天器左侧带有黄色标签的设备)可测量从氦元素到锌元素的银河系宇宙射线核的同位素.ACE探测器于1997年8月发射.(来源: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory)
宇宙线的丰度差异可以告诉我们有关宇宙射线源和宇宙射线在银河系中的传播的信息 。 宇宙射线中约90%是氢核 ， 大约9%是氦核 ， 其余所有元素的原子核仅占1% 。 即使在这1%中 ， 也存在着非常罕见的元素及其同位素 。 在宇宙射线中 ， 虽然比铁重的元素相当稀少 ， 但是对这些重核进行测量非常有意义 ， 因为它们可提供宇宙射线的来源及其加速机制等相当重要的信息 。
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图3.超级老虎探测器(SuperTIGER)在2012年12月发射前悬挂在运载火箭上 ， 背景为南极的埃里伯斯火山(Mount Erebus).SuperTIGER是一种宇宙射线探测气球 ， 可测量比铁原子还要重的宇宙射线 ， 以探索宇宙射线的来源及其加速机制 。 SuperTIGER的首次飞行持续了55天 ， 创下了南极长期科学气球有效载荷的持续时间记录.(图片来源: Ryan Murphy/Washington University）
即使我们无法通过宇宙射线直接追踪到宇宙射线源 ， 它们也可以告诉我们有关宇宙中高能天体的相关信息 。
大多数银河系内起源宇宙射线可能来自于超新星遗迹(SNR)的激波加速 。 超新星爆炸后的遗迹是一团伴随着强磁场的不断扩大的气体云 ， 气体云会不断地扩大 ， 这个过程可以持续数千年之久！宇宙射线在这里被加速 ， 受超新星遗迹中磁场的限制 ， 高能粒子做随机运动 。 有时他们会穿过激波面并被反射回来 ， 每次穿过激波面的时候粒子便会获得能量 。 直到粒子被加速到相当高的能量而磁场再也无法束缚住粒子 ， 它们逃逸出去就形成了极高能的宇宙线 。
由于加速机制取决于加速区域的大小和磁场强度 ， 所以被超新星遗迹加速的宇宙射线存在一个能量上限 。 但是我们已经观察到了宇宙射线的能量要比超新星遗迹产生的能量高得多的例子 ， 而这些超高能量的宇宙线来源是粒子天体物理中一个悬而未决的难题 。 也许它们来自银河系之外 ， 来自于活动星系核、类星体或者是γ射线暴 。
亦或这些尚未解决的问题只是某些新物理的冰山一角：超弦、超出标准模型的暗物质、能发生强相互作用的中微子或者是宇宙中大尺度结构的拓扑缺陷等 。 诸如此类的问题通过宇宙线将粒子物理和宇宙的本质两者联系到了一起 。
视频1.受超新星遗迹中磁场的限制 ， 高能粒子做随机运动.有时他们会穿过激波面并被反射回来,每次在激波中反射都增大粒子的能量 ， 大约1% 。 经过数十到数百次穿越激波面后 ， 粒子会被加速到接近光速 ， 最终磁场无法束缚住粒子 ， 逃逸出去形成了极高能宇宙线.(视频来源: NASA's Goddard Space Flight Center)
如果想了解有关宇宙线的更多内容可以阅读高能所公众号里的"小粒子 大宇宙"系列科学公开课 。 宇宙线看起来很神秘 ， 它来自于遥远天体剧烈的过程 。 但是人们却觉得在夜空中那些剧烈活动的天体 ， 寒冷而遥远 。 它们看似与这淡蓝色的星球 ， 与这星球上生活的每一个生命都毫无关系 。 但是每一束宇宙线都在提醒着我们人类 ， 我们是谁 ， 构成我们肉体的每一种元素来自宇宙的哪里 。 美国的天文学家卡尔·萨根(Carl Sagan)的曾说:"宇宙在我们体内 ， 你我皆为星尘。 我们是宇宙了解它自身的途径 。 "
"The cosmos is within us. We are made of star-stuff. We are a way for the universe to know itself."
― Carl Sagan
《天文学家的备忘手册》专栏的翻译到这里就结束啦 。 感谢一直关注这个翻译专栏的读者们 。 每次阅读量都可以达到一千五百次以上 ， 对我而言已经是相当高的关注度了 。 无论是翻译方式还是文章格式我在每一期都会做点小的调整 ， 说是在翻译专栏上不占用很多时间是不可能的 ， 给推文起名字肯定是最花时间但是往往又毫无进展的部分 。 在翻译的过程中 ， 我查找了许多的资料 ， 对我研究方向有很大的帮助 。 至于留言我每条都会看 ， 有的留言要求我再多拓展一些内容 ， 由于自己的翻译水平和知识水平实在有限 ， 实在是力不从心 。 翻译中很多错误的修正都离不开热心读者的善意提醒——但是我还是想说你们真的好严格！再次感谢大家的阅读 ， 我们有缘在下一个翻译专栏或者科普推文中再会 。
第3章 完.


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